(57)【要約】  三相変圧器と、それを製造する方法が開示されている。三相変圧器は、各々が、三相変圧器の二つの異なる位相にそれぞれ関連する二対の部分的一次及び二次コイルを有する、３つの閉ループ磁心要素を具える。部分的一次及び二次コイルの各地は、その閉ループ磁心要素の同じ磁心セクションに配置されており、この部分的一次及び二次コイルは、それぞれ、同じ位相に関連する別の対の部分的一次及び二次コイルの部分的一次及び二次コイルに直列又は並列に電気的に接続されており、別の一つの閉ループ磁心要素の上に配置されている。この直列又は並列で電気的に接続した部分的一次及び二次コイルは、三相電源に接続するように電気的に結合されている。直列又は並列で電気的に接続したコイルは、三相負荷に接続するように電気的に結合されている。【選択図】図４Ｄ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相変圧器の２つの異なる位相にそれぞれ関連する二対の部分的一次および二次コイルを各々が有する３つの閉ループ磁心要素を具える三相変圧器において、各部分的一次および二次コイル対が、その閉ループ磁心要素の同じ磁心セクションの上に配置されており、その部分的一次および二次コイルが、それぞれ、同じ電気回路に関連する別の部分的一次及び二次コイル対の部分的一次及び二次コイルに、直列または並列に電気的に接続されているとともに、もう一つの閉ループ磁心要素の上に配置されており、直列または並列に電気的に接続された部分的一次コイルが、三相電源に接続するように電気的に結合されており、直列または並列に電気的に接続された二次コイルが、三相負荷に接続するように電気的に結合されている、ことを特徴とする三相変圧器。
【請求項２】
請求項１に記載の三相変圧器において、前記接続された一次コイルが互いに電気的に接続して前記三相電源に電気的に接続可能なデルタ回路を形成しており、前記接続された二次コイルが互いに電気的に接続して前記三相負荷に電気的に接続可能なスター回路形成していることを特徴とする三相変圧器。
【請求項３】
請求項１に記載の三相変圧器において、前記接続された一次コイルが互いに電気的に接続されて前記三相電源に電気的に接続可能なスター回路を形成しており、前記接続された二次コイルが互いに電気的に接続して前記三相負荷に電気的に接続可能なデルタ回路を形成していることを特徴とする三相変圧器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三相変圧器において、前記部分的一次および二次コイルの各対の一次および二次コイルが、互いに重なって同軸に取り付けられていることを特徴とする三相変圧器。
【請求項５】
請求項４に記載の三相変圧器において、前記部分的一次および二次コイルの各対において、前記一次コイルが前記二次コイルの上に取り付けられていることを特徴とする三相変圧器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三相変圧器において、前記閉ループ磁心要素が、その広い寸法面が互いに実質的に平行になるように、互いに平行に並んで配置されていることを特徴とする三相変圧器。
【請求項７】
請求項６に記載の三相変圧器において、隣接して配置された閉ループ磁心要素間の距離が最小化されて、隣接して配置された部分的コイル間に所定の小さなギャップを画定していることを特徴とする三相変圧器。
【請求項８】
請求項７に記載の三相変圧器において、前記隣接して配置された部分的コイル間の所定の小さなギャップが約２５ｍｍであることを特徴とする三相変圧器。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の三相変圧器において、各閉ループ磁心要素が実質的に矩形のリング形状を有し、前記閉ループ磁心要素が互いに並列に並んで小型に構成されて、ほぼ矩形のプリズム形状を有する三相変圧器を形成している、ことを特徴とする三相変圧器。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三相変圧器において、前記閉ループ磁心要素が、互いに比較的離間して配置されていることを特徴とする三相変圧器。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の三相変圧器において、各閉ループ磁心要素の断面積が、三相変圧器の標準仕様による同じ高電圧と低電圧、及び電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算された断面積の半分である、ことを特徴とする三相変圧器。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の三相変圧器において、直列又は並列に接続された各部分的一次コイルの巻線の和が、三相変圧器の標準仕様による同じ高電圧と低電圧、及び電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算された一次巻線の数と同じであり、直列又は並列に接続された各部分的二次コイルの巻線の和が、三相変圧器の標準仕様による同じ高電圧と低電圧、及び電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算された二次巻線の数と同じである、ことを特徴とする三相変圧器。
【請求項１３】
請求項１２に記載の三相変圧器において、各部分的一次コイルの巻線の和が、三相変圧器の標準仕様による同じ高電圧と低電圧、及び電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算された一次巻線の数の半分であり、各部分的二次コイルの巻線の和が、三相変圧器の標準仕様による同じ高電圧と低電圧、及び電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算された二次巻線の数の半分である、ことを特徴とする三相変圧器。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の三相変圧器において、前記閉ループ磁心要素の断面形状が矩形であることを特徴とする三相変圧器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の三相変圧器において、前記コイルの断面形状が矩形であることを特徴とする三相変圧器。
【請求項１６】
二又はそれ以上の３組の変圧器ブロックを具える三相変圧器において、３組の変圧器ブロックの各々が、閉ループ磁心要素上に配置され、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電気的に接続された部分的一次および二次コイルを具え、前記二又はそれ以上の３組の変圧器ブロックが互いに電気的に結合されて、そのコイル間に直列または並列のいずれかの電気的接続を形成する、ことを特徴とする三相変圧器。
【請求項１７】
三相変圧器を製造する方法において、三つの閉ループ磁心要素を提供するステップと；各磁心要素の一部分を切断して除去するステップと；各磁心要素の二つの異なるコア部分の上に二つの内側コイルを配置するステップと；各内側コイルの上に外部コイルを配置するステップと；各磁心要素にそれぞれの除去部分を取り付けるステップと；同じ磁心部分に属する内側および外側コイルの各々を別の磁心要素の同じジキコアセクションに属する内側および外側コイルに、それぞれ電気的に接続するステップと；三相電源に接続するように外側コイル間を電気的に結合させるステップと；三相負荷に接続するように内側コイル間を電気的に結合させるステップと；を具えることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、前記閉ループ磁心要素を、部分的一次および二次コイルと共に、互いに平行にかつ互いに近接して並べて取り付けるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法において、前記閉ループ磁心要素を、その部分的一次および二次コイルと共に、互いから比較的離間させて配置するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の方法において、前記３つの閉ループコア要素を提供するステップが、磁性材料リボンを巻くステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の方法において、前記外側コイル間の電気的結合が、デルタ回路を形成するようにコイルを電気的に接続するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、前記内側コイル間の電気的結合が、スター回路を形成するようにコイルを電気的に接続するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の方法において、前記外側コイル間の電気的結合が、スター回路を形成するようにコイルを電気的に接続するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法において、前記内側コイル間の電気的結合が、デルタ回路を形成するようにコイルを電気的に接続するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１７乃至２４のいずれか１項に記載の方法において、前記閉ループ磁心要素に樹脂材料を含浸させるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項１７乃至２５のいずれか１項に記載の方法において、前記内側コイルと外側コイルとの間に電気的絶縁スペーサを配置するステップを具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に三相変圧器の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器は、一次巻線内のＡＣ（交流電力）入力電力が出力ＡＣ電力をその二次巻線内にそれぞれ誘導するように誘導結合された一又はそれ以上の一次巻線および二次巻線を具える電気装置である。
【０００３】
三相変圧器は、通常、磁心回路と、磁心回路に誘導結合された３つのコイルブロックとを具える。各コイルブロックは通常、一次巻線と二次巻線からなる。最新技術の三相変圧器は通常、いわゆる「Ｅ＋１」磁心構成を利用しており、コイルは磁心の「Ｅ」字形のフレームの３本の脚の上に取り付けられ、コアの「１」字形状のヨークで閉じている。このように、「Ｅ＋１」型磁心構成は平坦なコア構造を提供する。
【０００４】
日本の特許公開公報第ＪＰＳ５９２８３１０Ａ２号には、３つの単相磁気変圧器からなる三相変圧器が記載されており、これは各々、一次コイルおよび二次コイルが巻回されている複数のコイルスプールが規則的な間隔で非晶質材料からなる巻回コアの周囲に配置されるように構成されている。三相変圧器は、これらの単相変圧器が同一軸上に絶縁空間プレートを介して配置され、各単相変圧器コイルが三相接続されるように構成されている。このような構成によれば、非晶質磁性材料の材質の脆性に起因するコアの脆性破壊を防止することができる。しかしながら、このタイプの変圧器設計は、高電圧端子と低電圧端子間の距離が電圧レベルに依存しているので、高電圧端子と低電圧端子の位置が部分的に入れ替わるため、複雑な構造にならざるを得ない。さらに、高電圧コイルの各部分はより強力な絶縁が必要であり、そのような端子をアモルファスリボンでできたトロイド上に設置することが困難である。
【０００５】
米国特許第４，８９３，０６９号には、鉄共振三相定交流変圧器が記載されており、これは各々が一の入力電源位相を持つ三つの変圧器鉄心と、各変圧器鉄心に形成した一次巻線と二次巻線と、直列リアクタンス部品または一次巻線と直列に接続されたリアクトルと、二次巻線で発生する二次出力電圧を所定の電圧に制御する自動電圧調整手段と、直列リアクタンス部品またはリアクタの各々に誘導結合されるように形成された補償巻線と、この補償巻線を互いに直列に接続して閉ループ回路を形成する手段とを具える。二次側出力電圧は、負荷または１次側入力電圧、あるいはその両方が不平衡であっても、理論的には平衡状態に保たれる。
【０００６】
米国特許第４，８６２，０５９号では、三相システムにおける各変圧器の一次および二次巻線がそれぞれ一対の独立した巻線を形成しており、一の変圧器の鉄心に形成された一次および二次巻線対の各々の第１の巻線と、隣接する変圧器の鉄心に形成された一次および二次巻線対の各々の第２の巻線とが、互いに直列に接続されている。これら直列に接続された巻線はそれぞれ１相の巻線と見なされ、デルタ結線またはＹ結線のいずれかで互いに接続されている。システム出力のうちの一つの負荷電流の変化によって生じる電圧位相の変動は、その出力における電圧の位相だけでなく、隣接する出力における電圧の位相にも影響を及ぼし、その結果、負荷のバランスが崩れることによる出力相電圧間の位相差のずれが約半分になる。隣接する二つの鉄心の脚部が並置されており、この並置された脚部に共通する巻線を形成し、一の巻線を二つの直列巻線と等価に機能させると、全体で必要な巻線数は、巻線がコアの脚部に独立して形成されている場合に必要な巻線数の半分になる。
【発明の概要】
【０００７】
従来の三相変圧器は、通常、比較的大きな断面積を有する磁心脚を画定するように構成された磁心システムを利用しており、その結果、磁心脚の上に配置するためには対応して比較的大きな内径及び外径を有する３つの一次巻線／コイルと３つの二次巻線／コイルを必要とする。したがって、このような従来の三相変圧器の設計は、必然的にかさばり、重く、比較的大きな幾何学的寸法となる。
【０００８】
本出願は、比較的小さいスペースに収まるように柔軟に配置することができる、または様々な部品が互いに比較的離れて配置されるように分配することができ、重量と幾何学的寸法が比較的小さい三相変圧器の設計を開示している。いくつかの実施形態による三相変圧器は、３つの個別の閉ループ磁心要素を具えており、ここでは、各閉ループ磁心要素が、それぞれが３相電源うちの２つの異なる位相に関連する２対の部分的一次および二次巻線／コイルを具え、部分的一次巻線／二次巻線／コイルの各対がその閉ループ磁心要素の同じ断面（セクション）上に配置されている。
【０００９】
部分的一次および二次巻線／コイルの各対は、三相変圧器の別の閉ループ磁心要素上に配置されており、同じ位相に関連する別の一対の部分的一次および二次巻線／コイルの巻線／コイルに電気的に接続されている。より具体的には、各部分的な一次巻線／二次巻線／コイルにおいて、部分的一次巻線／コイルは、他の閉ループ磁心要素の上に配置され、同じ位相に関連する他の対の部分的一次巻線／二次巻線／コイルに直列または並列に接続されており、部分的二次巻線／コイルは、他の閉ループ磁心要素上に配置され、同じ位相に関連する他の対の部分的一次巻線および二次巻線の部分的二次巻線／コイルに電気的に直列または並列に接続されている
【００１０】
このようにして、三相変圧器の各位相に関連する一次巻線および二次巻線は、２つの異なる磁心要素に分配され、各磁心要素において、第１の対の部分的一次および二次巻線／コイルの一方の位相に関連する磁心セクションと、第２の対の部分的一次および二次巻線／コイルの位相に関連する磁心セクションとを画定している。このようにして、従来の三相変圧器において磁心要素間に通常必要とされる磁気的相互作用／結合は、直列または並列に接続された部分的一次巻線／コイルと、直列または並列に接続された部分的二次巻線／コイルとの間の電気的相互作用／結合によって置き換えられる。このような磁心要素間の位相が異なる一次巻線および二次巻線の分布によって、各磁心要素が三次元空間に独立して個別に配置された三相変圧器の設計が可能となり、したがって磁心要素間の距離を比較的大きくすることができるようになる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、直列又は並列に接続された二次巻線／コイルが互いに電気的に接続されており、三相変圧器の三相負荷に電気的に接続可能なスター回路を形成し、直列又は並列に接続された一次巻線が互いに電気的に接続されて、三相変圧器の三相電源に電気的に接続可能なデルタ回路を形成している。いくつかの代替の実施形態では、直列または並列に接続された二次巻線／コイルが、三相変圧器の三相負荷に電気的に接続可能なデルタ回路を形成しており、直列または並列に接続された一次巻線が、互いに電気的に接続されて三相変圧器の三相電源に電気的に接続可能なスター回路を形成している。
【００１２】
したがって、いくつかの実施形態の三相変圧器は、その相対位置を移動可能に変更する能力を持って装填された３つの同一の個別変圧器ブロックを具える。各変圧器ブロックは、 選択的に横方向のスリットを有する閉ループ磁心要素（例えば、アモルファス金属、アモルファス合金およびナノクリスタル合金などの強磁性材料からできている）を具えており、各閉ループ磁心上 に２対のコイルが形成されて、磁心要素の各コイル対は、異なる位相に関連し、この閉ループ磁心の磁心セクション上に同軸に配置した部分的一次巻線／コイルおよび部分的二次巻線／コイルを具えている。各閉ループ磁心要素上に形成された各部分的一次巻線／コイルおよび各部分的二次巻線／コイルは、同じ位相に関連する、対応する部分的巻線／コイルに直列または並列に電気的に接続されており、別の変圧器ブロックの閉ループ磁心上に位置している。
【００１３】
選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、同じ位相に関連する部分的一次巻線／二次巻線／コイルの各対は、その閉ループ磁心要素の磁心セクション上に同心円状に配置されている。いくつかの実施形態では、各対の部分的一次および二次巻線／コイルにおいて、部分的一次コイルの巻線が部分的二次コイルの巻線の上に配置／形成されており、部分的二次巻線／コイルが閉ループ磁心要素と部分的一次コイルの巻線の間に挟まれるようになっている。
【００１４】
このように、各閉ループ磁心要素の横断面（すなわち断面積）を、同じ高電圧と低電圧及び同じ電流で動作するように設計された従来の三相変圧器の一の位相について計算された磁心の横断面の約半分になるように選択することができる。選択的に、及びいくつかの実施形態では、好ましくは、各部分的一次および二次巻線／コイルの巻数は、同じ高電圧と低電圧で及び同じ電流で動作するように設計された従来の三相変圧器の一の位相について計算した巻数の半分である。
【００１５】
これらの特徴により、三相変圧器の国際規格に準拠し、同じ電圧および／または電流で動作するように設計された三相変圧器の幾何学的寸法と重量に比較して、実質的に低減された幾何学的寸法を有し、その結果実質的に変圧器の重量が低減した三相変圧器の構築が可能となる。特に、閉ループ磁心要素の断面積が約５０％減少するので、これに対応してコア要素上に配置された一次および二次巻線／コイルの内径および外径が小さくなる。一次および二次巻線／コイルの内径および外径は、同一の位相に関連する一次および二次巻線／コイルの各対を上下に同心円状に配置することによってさらに小さくなり、閉ループ磁心要素に沿ったコイルの巻線の分布を最大かつ最適化し、それらの外側表面積を利用することができる。結果として、閉ループ磁心要素の断面積および巻線／コイルの内径および外径の減少が、三相変圧器を構成するのに必要な材料の量を著しく減少させ、変圧器全体の重量も大幅に減少する。
【００１６】
いくつかの実施形態においては、変圧器ブロックをコンパクトな構成にするために、変圧器ブロックが、ブロック間の最小の距離（例えば、数ミリメートルまたは数十ミリメートル）で互いに平行に並んで、その閉ループ磁心要素の前面／広い寸法の面が互いに平行になる（すなわち、閉ループ磁心ループ要素の平面は互いに離間しており、互いに平行であり、それらの中心が共通の軸に沿って互いに離間して配置されている）ように取り付けられている。いくつかの実施形態では、閉ループ磁心ループ要素は矩形環状要素であり、変圧器ブロックは、それらの閉ループ磁心ループ要素の垂直軸が同一平面上に配置されるように、互いに平行に並んで取り付けられている。代替的に、いくつかの実施形態では、変圧器ブロックが、間に比較的大きな距離を空けて別々に配置されている。
【００１７】
選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、各閉ループ磁心要素が、限定するものではないが、アモルファスまたはナノクリスタルリボンなどの磁性材料リボンからできている。代替的に、いくつかの実施形態では、各閉ループ磁心要素はケイ素鋼でできている。各閉ループ磁心要素は、限定するものではないが、エポキシ樹脂などの絶縁材料を含浸させることができる。さらに、各閉ループ磁心要素は、リボン幅が同じ磁性材料リボンで、あるいは代替的に、それぞれが同じまたは異なる幅の磁性材料リボンが巻回された一組の磁心で、巻回することができる。
【００１８】
選択的に、三相変圧器内の変圧器ブロックの数は３より多いが、３の倍数、例えば６、９、１２、２４などであり、ここで各三重（三つ）の変圧器ブロックは、同じグループ／三重（三つ）の変圧器ブロックの部分的一次コイルおよび二次コイルの対に、動作電圧と電力に応じて、直列または並列に接続されている。
【００１９】
本明細書に開示されている主題の一の発明態様は、三相変圧器の２つの異なる位相にそれぞれ関連する２対の部分的一次コイルおよび二次コイルを有する３つの閉ループ磁心要素を具える三相変圧器に関する。部分的一次コイルおよび二次コイルの各対は、その閉ループ磁心要素の同じ磁心部分上に配置され、その部分的一次コイルおよび二次コイルは、それぞれ、同じ位相に関連する別の対の部分的一次コイルおよび二次コイルに直列または並列に電気的に接続されており、もう一つの閉ループ磁心要素の上に配置されている。直列または並列に電気的に接続された部分一次コイルは三相電源に接続するように電気的に結合され、直列または並列に電気的に接続された二次コイルは三相負荷に接続するように電気的に結合されている。
【００２０】
選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、接続された一次コイルが互いに電気的に接続されて三相電源に電気的に接続可能なデルタ回路を形成しており、接続された二次コイルは互いに電気的に接続されて三相負荷に電気的に接続可能なスター回路を形成している。代替的に、いくつかの実施形態では、接続された一次コイルが互いに電気的に接続されて三相電源に電気的に接続可能なスター回路を形成しており、接続された二次コイルは互いに電気的に接続されて三相負荷に電気的に接続可能なデルタ回路を形成している。
【００２１】
部分的一次コイルおよび二次コイルの各対の部分的一次コイルおよび二次コイルは、上下に同軸に取り付けることができる。選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、各対の一次コイルと二次コイルにおいて、一次コイルを二次コイルの上に同心円状に取り付けることができる。
【００２２】
選択的に、そしていくつかの実施形態では、好ましくは、閉ループ磁心要素は、広い寸法の面が互いに実質的に平行になるように、互いに平行に並設されている。この変圧器の構成では、隣接して配置された閉ループフレーム間の距離が最小化されて、隣接して配置された部分コイル間の所定の小さなギャップ（例えば、約２５ｍｍ）を画定している。各閉ループ磁心要素は、実質的に矩形のリング形状を有しており、閉ループ磁心要素は互いに平行にコンパクトに並設されて、ほぼ矩形のプリズム形状の三相変圧器を形成している。代替的に、いくつかの実施形態では、閉ループ磁心要素は互いから相対的に離れて配置されている。
【００２３】
各閉ループ磁心要素の断面積は、三相変圧器の標準仕様に従って同じ高電圧と低電圧、及び同じ電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算された断面積の約半分になるように設定することができる。追加でまたは代替的に、直列または並列に接続された各部分的一次コイルの巻数の合計は、三相変圧器の標準仕様に従って同じ高電圧と低電圧、及び同じ電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算される一次巻線の数に等しく、直列または並列に接続された各部分的二次コイルの巻数の合計は、三相変圧器の標準仕様に従って同じ高電圧と低電圧、及び同じ電流で動作するように設計された三相変圧器の位相について計算される二次巻線の数に等しい。
【００２４】
いくつかの可能な実施形態では、各部分的一次コイルの巻数は、三相変圧器の標準仕様に従って同じ高電圧と低電圧、及び同じ電流で動作するように設計された三相変圧器の位相用に計算された三相変圧器の位相の一次巻線数の半分である。同様に、各部分的二次コイルの巻数は、三相変圧器の標準仕様に従って同じ高電圧と低電圧、及び同じ電流で動作するように設計された三相変圧器の位相用に計算された三相変圧器の位相の二次巻線数の半分である。
【００２５】
いくつかの実施形態では、閉ループ磁心要素の断面形状が矩形である。従って、コイルの断面形状も矩形にすることができる。
【００２６】
本明細書に開示される主題の別の発明態様は、２又はそれ以上の三重変圧器ブロックを具える三相変圧器であって、各三重変圧器ブロックが、上述したように電気的に接続されている三相電気的に接続された３つの異なる閉ループ磁心要素上に配置された部分的一次コイルおよび二次コイルを具え、二又はそれ以上の三重変圧器ブロックが互いに電気的に結合されて、そのコイル間に直列または並列のいずれかの電気的接続を形成している、三相変圧器に関する。
【００２７】
本明細書に開示される主題のさらなる発明態様は、三相変圧器の製造方法に関し、この方法は、三つの閉ループ磁心要素を提供するステップと、各磁心要素の一部を切断し除去するステップと、各磁心要素の２つの異なるコア部分の上に二つの内側コイルを配置するステップと、各内側コイルの上に外側コイルを配置するステップと、各磁心要素にそれぞれの除去部分を取り付けるステップと、同じ磁心セクション部分に属する内側コイルおよび外側コイルを、別の磁心要素の同じ磁心セクションに属する内側コイルおよび外側コイルにそれぞれ電気的に接続するステップと、その接続の外側コイル間で三相電源に電気的に接続するステップと、その接続の内側コイル間で三相負荷に電気的に接続するステップを具える。
【００２８】
選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、この方法が、閉ループ磁心要素をその部分的一次コイルと部分的二次コイルと共に、一方が他方に平行にかつ近接して並設するステップを具える。代替的に。いくつかの実施形態では、この方法が、閉ループ磁心要素をその部分的一次コイルおよび二次コイルと共に、一方を他方に対して相対的に離して配置するステップを具える。
【００２９】
３つの閉ループコア要素を提供するステップは、磁性材料リボンを巻くステップを具えていてもよい。選択的に、この方法は、閉ループ磁心要素に樹脂材料を含浸させるステップを具えていてもよい。この方法は、いくつかの実施形態では、内側コイルと外側コイルとの間に電気絶縁スペーサを配置するステップを具える。
【００３０】
選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、外側コイル間を電気的に結合するステップが、コイルを電気的に接続してデルタ回路を形成するステップを具える。この構成では、内側コイル間の電気的結合が、コイルを電気的に接続してスター回路を形成するステップを具えていてもよい。
【００３１】
代替的に、いくつかの実施形態では、外側コイル間の電気的結合は、コイルを電気的に接続してスター回路を形成するステップを具えていてもよい。この構成では、内側コイル間の電気的結合は、コイルを電気的に接続してデルタ回路を形成するステップを具えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明を理解し、それが実際にどのように実施されるかを見るために、添付の図面を参照しながら、非限定的な例として、実施形態をここで説明する。図面に示された特徴は、他に暗示的に示されていない限り、本発明のいくつかの実施形態を例示するだけであることを意図している。図面では、対応する部分には同じ符号が使用されている。
【図１】図１は、磁心が 「Ｅ＋１」構造に基づく単相変圧器を概略的に示す。
【図２】図２は、いくつかの可能な実施形態による三相変圧器の二次巻線コイルの電気的接続を概略的に示す。
【図３】図３は、いくつかの可能な実施形態による三相変圧器の一次巻線コイルの電気的接続を概略的に示す。
【図４】図４Ａ乃至４Ｄは、いくつかの可能な実施形態による変圧器ブロックの要素を概略的に示す図であり、図４Ａは閉ループコア要素の正面断面図および側面断面図、図４Ｂは変圧器ブロックの斜視図、図４Ｃは変圧器ブロックの上面断面図、図４Ｄは共通の軸の周りに互いに平行に並設した図４Ｂに示す３つの変圧器ブロックの斜視図である。
【図５】図５Ａ乃至５Ｃは、それぞれ、いくつかの可能な実施形態による三相変圧器の正面図、側面図、および断面図である。
【図６】図６は、部分的巻線／コイルが電気的に並列に接続されているいくつかの可能な実施形態による三相変圧器を概略的に示す図である。
【図７】図７は、いくつかの可能な実施形態による三相変圧器を製造するプロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本出願の１つまたは複数の特定の実施形態を、図面を参照して以下に説明する。これらの図面は、あらゆる態様において例示的なものにすぎず、決して限定的ではないと考えるべきである。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するにあたり、実際の実施形態のすべての特徴が本明細書に記載されているわけではない。図面に示された要素は必ずしも縮尺通り、あるいは正確な比例関係にあるわけではなく、それは重要ではない。代わりに、本明細書に開示された主題の原理を理解すれば当業者が開示された装置を製造および使用することができるように、本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれている。本発明は、本明細書に記載した本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態および実施形態において提供されている。
【００３４】
本出願は、限定するわけではないが、三相配電変圧器などの様々な用途に使用可能な三相変圧器の設計を開示している。巻線が中心コア上に配置された「Ｅ＋１」構造を有する単相外装変圧器はこの技術分野において知られている。図１に示すように、単相変圧器８の磁気システムは、２つの□型コア１を具えており、各磁心１の一方の側部に形成された一次巻線２および二次巻線３を有する。このような単相変圧器構造８を三個使用して、３相送電線に使用できる三相変圧器を組み立てることができる。このような三相変圧器組立体は、通常、平面システムを形成するように構成されている。この三相変圧器設計の不利な点は、サイズ／幾何学的寸法、重い重量および鉄損が比較的大きいことである。
【００３５】
本明細書に開示されている実施形態による三相変圧器は、３つの個別の独立した磁心ループ（本明細書では磁心要素ともいう）から構成される三相磁心回路を具え、これは互いに対して平行に並んでおり、隣接する各対の磁心要素間の距離が短い（例えば１乃至５０ｍｍ）、またはその他の適切な配置では互いから比較的離れている（例えば０．５乃至１００メートル）、すなわち必ずしも同軸である必要はなく、および／または、三次元空間において一方が他方に対して適切な任意の向きにある。選択的に、及びいくつかの実施形態では、好ましくは、三相変圧器の磁心要素は、少なくともそれらの幾何学的寸法、材料組成、および構造上の組み立てに関して実質的に同一である。
【００３６】
本明細書に開示されている三相変圧器の実施形態は、このタイプの変圧器に対して現在なされている要件／要求を満たすように容易に適合させることができる。特に、本出願の三相変圧器の実施形態は、変圧器損失レベルに対する要求が厳しい太陽光発電所または風力発電所のような、今日使用されている新しいタイプの発電所に適している。これらの発電所は通常、電力変圧器が発電機に近接して配置されることも必要であり、このことが、変圧器の幾何学的寸法および形状に対する厳しい要件となる。
【００３７】
したがって、本明細書に開示されている三相変圧器の実施形態は：
・磁心回路における実質的に低いレベルの損失；
・実質的に軽量の磁心回路；
・変圧器及びその磁心の比較的小さな幾何学的寸法；
・例えば風力発電所のコンクリートロッカーの中など、最小の占有スペースで構内／施設内に変圧器を配置する機能；
を提供するように考案されている。
【００３８】
例えば、本明細書に開示されている実施形態は、比較的小型の三相変圧器を提供することができる。例えば、いくつかの実施形態では、三相変圧器電力が６３０ｋＶＡであり、幾何学的寸法が約１２１０ｍｍ×１３００ｍｍ×７６０ｍｍ、重量約１３５０Ｋｇ、および磁心損失が約６１１Ｗである。従来の６３０ｋＶＡの変圧器は、通常、幾何学的寸法が約１６００ｍｍ×１５９０ｍｍ×１８２０ｍｍ、重量約２２００Ｋｇ、磁気損失が約１３８０Ｗであることに留意されたい。加えて、本出願の三相変圧器の実施形態は、変圧器ブロックが別々の位置に容易に設置でき、選択的に一のブロックが他のブロックから比較的離れて配置されているので、実用上変圧器をあらゆる容積に取り付けることができる。変圧器ブロック間の距離は、最大で、いくつかの実施形態では、１乃至１０メートルといった数メートルの距離、いくつかの他の実施形態では、１０乃至１００メートルといった数十メートルの距離であってもよい。
【００３９】
三相変圧器のこのモジュラー構造は、互いに近接してコンパクトに配置することができるいくつかの別個で実質的に同一の変圧器ブロックからできており、例えば、立方体、直方体、円筒形、または任意の適切な正三角形プリズム三次元形状といった、実質的に幾何学的寸法が小さい三相変圧器を構築するのに有利に使用できる。したがって、変圧器ブロックを並列に並べて配置して、三相変圧器の全体サイズを小さくすることができる。これらの実施形態では、隣接配置された変圧器ブロックが並んで一方が他方に対して平行に配置されており、その閉ループコア要素の広い寸法プロファイルが互いに向き合って互いに平行になり、その垂直軸が同じ幾何学的平面に位置するように配置されている。
【００４０】
いくつかの実施形態では、三相変圧器の変圧器ブロックユニットの最適数は３個に設定されている。この場合、共通のフレームおよび／またはその他の構造部品を使用して変圧器ブロックを並列に並べた関係に固定／保持するとともに、三相変圧器の所望の堅牢性、ならびに風力発電所などの施設の既存のコンクリート製ロッカーへの設置の容易性も達成することができる。
【００４１】
変圧器ブロック間の最小距離は巻線の動作電圧に依存することに留意されたい。例えば、一次側で２２ｋＶ（キロボルト）の動作電圧では、この距離を約２５ｍｍに設定することができる。
【００４２】
変圧器ブロックを個別に、例えば互いから比較的離れた距離で配置することによって、最小のサイズ／幾何学的寸法の異なる個別ロッカー／コンパートメントに、ロッカー／コンパートメントの壁からの最小距離で配置することができる。この距離は一次巻線の動作電圧に依存する。例えば、一次側の動作電圧が２２ＫＶであれば、この最小距離を約２５ｍｍに設定することができる。
【００４３】
可能な実施形態では、三相変圧器の各変圧器ブロックは、例えばアモルファス金属、アモルファス合金または ナノ結晶合金、シリコン鋼といった強磁性材料からできた閉ループコアを具え、横方向スリットを有する。特に、各変圧器ブロックは、例えばアモルファスまたはナノ結晶材料テープ／リボンといった磁性材料で巻かれた閉ループ磁心要素を具えていてもよい。変圧器ブロックのコンパクトな配置を必要とする実施形態では、閉ループ磁心要素は、互いに平行に垂直にかつ同軸に配置され、その広い寸法面が互いに向き合うようになっている。
【００４４】
選択的に、いくつかの実施形態では、閉ループ磁心要素の断面積が実質的に長方形状であることが好ましい。いくつかの実施形態では、磁心を巻いた後、エポキシ樹脂などの絶縁材料を磁心に含浸させる。いくつかの実施形態では、閉ループ磁心要素は横方向スリットを有しており、予め準備された巻線コイルの形で提供できる部分的一次巻線と二次巻線の設置を容易にする。
【００４５】
本明細書に開示されている三相変圧器の実施形態のいくつかの利点は、各磁心要素に二つの一次巻線／コイルと二つの二次巻線／コイルを使用することによって得られる。より具体的には、三相変圧器の各磁心要素は、二つの部分的一次巻線／コイルと二つの部分的二次巻線／コイルとを具える。磁心要素の各部分一次巻線／コイルは変圧器の電源の異なる位相と関連しており、磁心要素の各部分的二次巻線／コイルは変圧器の電力出力の異なる位相に関連している。
【００４６】
一方の／第１の磁心要素の各々において、各部分的一次巻線／コイルは、他方の磁心要素に配置された（同じの位相の）それぞれの部分的一次巻線／コイルと電気的に直列または並列に接続され、それによって、２つの個別で独立した第１の／一方の、及び第２の／別の磁心要素間に分配された全／完全一次巻線を形成し、第１磁心の各部分的二次巻線／コイルは、別の磁心要素に配置された部分的二次巻線／コイルと電気的に直列または並列に接続され、これによって、２つの別々の独立した一方および他方の磁心要素にわたって分布した、全／完全二次巻線／コイルが形成される。同じように、別の磁心要素に配置されているそれぞれの相のすべての一次および二次部分的巻線／コイルが相互接続される。選択的に、各磁心要素内の部分的巻線／コイルは、単一のバスバー要素またはケーブルによって、その他の磁心要素内のそれぞれの部分的巻線／コイルに電気的に接続される。選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、三相変圧器方式は、国際規格、例えば電力変圧器に関するＩＥＣ７６−１国際規格で定義された仕様に準拠することが好ましい。
【００４７】
選択的に、いくつかの実施形態では、各部分的一次巻線／コイルの巻数は、例えば、ＩＥＣ７６−１国際標準仕様の指定変換比ならびに公称一次および二次電流および／または電圧に関する三相変圧器の工学設計上の考慮事項によれば、三相変圧器の一相一次コイルの巻数の半分であることが好ましい。同様に、各部分的二次コイルの巻数は、同じ工学設計上の考慮事項に従って、三相変圧器の一相二次コイルについて計算された巻数の半分である。当然、本出願の三相変圧器の構成において、その他の適切な三相変圧器規格を同様に使用することができる。本明細書に開示される三相変圧器の実施形態の主な特徴は、三相変圧器が、従来の三相変圧器設計で通常使用されるような磁心回路のコア要素を磁気的に結合する共通ヨーク要素を持たないことである。
【００４８】
いくつかの実施形態では、各磁心要素の断面積は、電気的計算に基づいて、例えば上述の国際規格、または他の適切な規格仕様によれば、一の位相について計算された磁心面積の横断面積の約半分になるように選択される。
【００４９】
三相変圧器の各変圧器ブロックは、非晶質またはナノ結晶リボンで作られた閉ループ磁心要素を具えており、この要素は、例えば適切な磁心回路閉鎖要素によって閉じたＣ型コア要素でできている。いくつかの実施形態では、各磁心要素に２つの同一の部分的二次巻線／コイルが装着されており、これはエアギャップ、またはその他の適切な電気絶縁材料によって、磁心要素の外面から分離されている。選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、各部分的二次巻線／コイルの外側表面領域に一次巻線／コイルが取り付けられており、エアギャップ、またはその他の適切な電気絶縁によって二次巻線／コイルの外面から分離されている。
【００５０】
選択的に、いくつかの実施形態では、三相変圧器の閉ループ磁心要素がケイ素鋼からできていることが好ましい。例えば、限定するものではないが、各変圧器ブロックの閉ループ磁心要素は、当技術分野で知られている適切な従来の製造技術を使用して、同じリボン幅を有する磁性材料リボンから巻くことができる。代替的に、可能な実施形態では、各閉ループ磁心要素は一組の磁心部分から構成することができ、各磁心 部分は同じまたは異なる幅を有する磁気リボン材料から巻かれる。このような３つの変圧器ブロックの共同作業のために、各ブロック内の部分的巻線／コイルはバスバーまたはケーブルによって少なくとも２つのその他の変圧器ブロックの部分巻線／コイルに電気的に相互接続され、三相トランスの全／完全巻線／コイルを形成する。
【００５１】
図２及び３は、いくつかの可能な実施形態に係る三個のトランスブロック、Ｂｌｏｃｋ１、Ｂｌｏｃｋ２、及びＢｌｏｃｋ３を有する三相変圧器１０の一部を示す図である。各ブロックは、それぞれ符号１、２及び３で示す閉ループ磁心要素を具える。図２は三相変圧器１０の部分的二次巻線／コイルの電気的接続を概略的に示しており、図３は三相変圧器１０の部分的一次巻線／コイルの電気的接続を概略的に示す。
【００５２】
図２に示すように、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１は、閉ループコア１と部分的二次巻線／コイル４および５を具え、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２は閉ループコア２と部分的二次巻線／コイル６および７を具え、変圧器ブロック３は、閉ループコア３と部分的二次巻線／コイル８および９を具える。以下に説明するように、各二次コイルの巻線は、三相変圧器１０によって出力された異なる位相「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」に関連付けられており、変圧器１０の閉ループ磁心要素１，２および３のうちの少なくとも２つの間に分配されている。したがって、磁心要素１、２および３の各セクションは、変圧器の所定の位相に関連しており、その電気的接続性に従って、インデックス「１」又は「２」の組み合わせで参照される。
【００５３】
より詳細には：
−  変圧器ブロック Ｂｌｏｃｋ１の磁心１は、位相「Ａ」に関連する巻線／コイル４を含むセクションＡ１と、位相「Ｂ」に関連する巻線／コイル５を含むセクションＢ２とを具え；
−  変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の磁心２は、位相「Ａ」に関連する巻線／コイル６を含むセクションＡ２と、位相「Ｃ」に関連する巻線／コイル７を含むセクションＣＩとを具え；
−  変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の磁心３は、位相「Ｃ」に関連する巻線／コイル８を含むセクションＣ２と、位相「Ｂ」に関連する巻線／コイル９を含むセクションＢ１を具える。
【００５４】
いくつかの可能な実施形態では、三相変圧器１０の一次および二次巻線／コイルの電気的接続は、電源トランスに関する国際規格ＩＥＣ７６−１の仕様で定義されているデルタ／スター（Δ／Ｙ）回路を規定するように構成されている。この場合、三相変圧器１０の一次巻線／コイルの電気的接続は、デルタ回路（Δ、三角形）を形成するように選択され、三相変圧器１０の二次巻線／コイルの電気的接続は、スター回路（Ｙｎ１１、スターゼロ出力） を形成するように選択される。したがって、図２では、三相の二次巻線はスター回路Ｙｎ１１を形成するように接続されている。したがって：
−  位相「Ａ」の場合、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１のセクションＡ１の巻線／コイル４は第１の端子で位相「Ａ」の電気出力を提供し、第２の端子によって、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２のセクションＡ２の巻線／コイルに、電気的に直列に接続されており、巻線／コイル６第２の端子は、「０」点、すなわち、変圧器１０の電気的中性点に電気的に接続されており；
−  位相「Ｂ」の場合、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３のセクションＢ１の巻線／コイル９は、位相「Ｂ」の電気的出力を第１の端子に提供しており、第２の端子によって変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１のセクションＢ２の巻線／コイル５の第２端子に、電気的に直列に接続されており、巻線／コイル５の第２端子は変圧器１０の「０」点に電気的に接続されており；
−  位相「Ｃ」の場合、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２のセクションＣ１の巻線／コイル７が、第１端子において位相「Ｃ」の電気出力を供給し、第２端子によって、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３のセクションＣ２における巻線／コイル８に電気的に直列に接続されており、巻線／コイル８の第２の端子は、変圧器１０の「０」点に電気的に接続されている。
【００５５】
このように、三相変圧器１０の出力電力の各位相の二次巻線は、二つの部分的二次コイルによって二つの閉ループ磁心要素の異なる対の間に分配される。選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、各部分的二次コイルの巻数は、トランスの工学設計／仕様に従って所定の位相について計算された二次巻数の半分（１／２）に等しく、各電気出力位相に関連する二次巻線の総数は、所定の位相について計算された二次巻線の数に等しい、すなわち、Ｎ４＝Ｎ６＝ＮＳＡ／２、Ｎ９＝Ｎ５＝ＮＳＢ／２、Ｎ７＝Ｎ８＝ＮＳＣ／２である。ここでＮ４…Ｎ９は、それぞれ部分巻線／コイル４、…９の巻数を指定する正の整数であり、ＮＳＡ、ＮＳＢ、およびＮＳｃは、それぞれの出力位相「Ａ」、「Ｂ」および「Ｃ」の二次巻線の総数／計算数を表す正の整数である。
【００５６】
従って、所定の位相に対する磁心の全断面積（ａ）は、位相が分布している磁心要素の２つの実質的に同一の断面積の合計、すなわち、ａ＝ａ１＋ａ２＝ａ３＋ａ１＝ａ２＋ａ３であることが分かる。ここで、ａ１、ａ２、及びａ３は、それぞれ磁心要素１、２および３の断面積である。選択的に、そしていくつかの実施形態では、好ましくは、各磁心要素の断面積は、変圧器の技術設計／仕様に従って計算した磁心の断面積の半分、すなわち、ａ１＝ａ２＝ａ３＝ａ／２、に等しい。
【００５７】
例えば、６３０ｋＶＡの電力、５０Ｈｚの動作周波数、一次（高）電圧Ｕ１＝２２ｋＶ、および二次（低）電圧Ｕ２＝０．４ｋＶに設計された三相変圧器１０の可能な実施形態では、Ａ１、Ｂ２、Ａ２、Ｃ１、Ｃ２、およびＢ１における各部分的二次巻線／コイルの巻数は１１回（Ｎ４＝Ｎ５＝Ｎ６＝Ｎ７＝Ｎ８＝Ｎ９＝１１）に等しく、各磁心要素１、２および３の断面積は、各変圧器ブロックにおいて２１１．７ｃｍ２に等しい（ａ１＝ａ２＝ａ３＝２１１．７ｃｍ２）。すなわち、出力位相当たりの巻数は、ＮＳＡ＝ＮＳＢ＝ＮＳＣ＝２２であり、各位相について計算された全磁心の断面積はａ＝４２３．４ｃｍ２である。
【００５８】
図３は、三相変圧器１０の変圧器ブロックに設けられた一次巻線／コイルの電気的接続を概略的に示す図である。図に示すように、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１の磁心要素１は部分的一次巻線／コイル１０及び１１を具えており、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の磁心要素２は部分的一次巻線／コイル１２、１３を具え、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の磁心要素３は部分的一次巻線／コイル１４、１５を具える。
【００５９】
また、図２、に示すように、一次巻線／コイルを含むコア部分の位相の関連付けは、二次巻線／コイルを含むコア部分の位相との関連付けに対応する。特に：
−  変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１では、コアセクションＡ１は、位相「Ａ」に関連する巻線／コイル１０と、位相「Ｂ」に関連する巻線／コイル１１を具えるコアセクションＢ２を具え；
−  変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２では、コアセクションＡ２は、位相「Ａ」に関連する巻線／コイル１２と、位相「Ｃ」に関連する巻線／コイル１３を有するコアセクションＣ１とを具え；
−  変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３では、コアセクションＣ２は、位相「Ｃ」に関連する巻線／コイル１４と、位相「Ｂ」に関連する巻線／コイル１５を有するコアセクションＢ１を具える。
【００６０】
この特定の非限定的な例では、一次巻線／コイルは互いに電気的に接続されてデルタ回路（Δ、三角形）を形成している。したがって：
−  位相「Ａ」については、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１のセクションＡ１の巻線／コイル１０は、その第１端子で位相「Ａ」の電気入力を受け取り、第２端子で変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２のセクションＡ２の巻線／コイル１２に、巻線／コイル１２の第１の端子によって直列に電気的に接続され、巻線／コイル１２の第２の端子は、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の位相「Ｂ」の電気入力に電気的に接続され；
−  位相「Ｂ」については、 変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３のセクションＢ１の巻線／コイル１５は、その第１端子で位相「Ｂ」の電気入力を受信し、その第２端子で変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２のセクションＢ２の巻線／コイル１１に、巻線／コイル１１の第１の端子によって電気的に直列に接続され、巻線／コイル１１の第２の端子は、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の位相Ｃの電気入力に電気的に接続されて；
−  位相「Ｃ」については、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２のセクションＣ１の巻線／コイル１３は、その第１端子で位相「Ｃ」の電気入力を受信し、その第２端子で変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３のセクションＣ２の巻線／コイル１４に、巻線／コイル１４の第１の端子によって電気的に直列に接続され、巻線／コイル１４の第２の端子は、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１の位相「Ａ」の電気入力に電気的に接続されている。
【００６１】
このようにして、三相変圧器１０の入力電力の各位相の一次巻線は、二つの部分的一次コイルによって、それぞれ二つの磁心要素の異なる対の間に分配される。選択的に、そしていくつかの実施形態では、好ましくは、各部分的一次コイルの巻数は、上述したように、変圧器の工学設計／仕様に従って所定の位相に対して計算した巻数の半分（１／２）に等しい。
【００６２】
したがって、一次（高）電圧がＵ１＝２２ｋＶで、二次（低）電圧側がＵ２＝０．４ｋＶで、および動作周波数５０Ｈｚの、上記の６３０ｋＶＡ電力三相変圧器の例では、巻線／コイルが、ΔＹｎ１１回路方式を形成するように電気的に接続されており、部分的一次コイルのそれぞれの巻数は１１５３であり、各位相の一次巻線の計算された数は２３０６である。すなわち、Ｎ１０＝Ｎ１１＝Ｎ１２＝Ｎ１３＝Ｎ１４＝Ｎ１５＝１１５３回、ＮＰＡ＝ＮＰＢ＝ＮＰＣ＝２３０６であり、ここでＮ１０，…Ｎ１５は、それぞれ、部分的一次巻線／コイル１０乃至１５の巻回数を表す正の整数であり、ＮＰＡ、ＮＰＢおよびＮＰｃは、位相「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」についてそれぞれ計算された一次巻線の数を表す正の整数である。
【００６３】
可能な実施形態において、三つの変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１、Ｂｌｏｃｋ２、及びＢｌｏｃｋ３が、一方の側部において変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１の広い寸法面に、もう一方の側部において変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の広い寸法面に対向している、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の広い寸法面と並んで平行に隣接して、同軸に配置されており、例えば、風力発電所のコンクリートロッカーのような指定された場所に収容できるような幾何学的寸法を有する三相変圧器を形成している。上述したＵ１＝２２ｋＶの高電圧、Ｕ２＝０．４ｋＶの低電圧の乾式６３０ｋＶＡ三相変圧器の例においては、三相変圧器１０は、以下の幾何学的寸法と重量にするように組み立てることができる。
・高さ  １３００ｍｍ
・長さ  １２１０ｍｍ
・幅  ７６０ｍｍ
・重さ  １３５０ｋｇ
【００６４】
例えば、ＳＧＢ−Ｓａｃｈｓｉｓｃｈ−Ｂａｙｅｒｉｓｃｈｅ  Ｓｔａｒｋｓｔｒｏｍ   Ｇｅｒａｔｅｂａｕ  ｄａｓ  Ｇｅｍｅｉｎｓｃｈａｆｔｓｐｒｏｊｅｋｔ  ｄｅｒ  ＳＧＢ  ｕｎｄ  ＴＲＲ社によって要求されているような、三相変圧器の仕様によれば、既存のコンクリートロッカーに設置することができる三相変圧器の最大許容幾何学的寸法および重量は以下の通りである。
・高さ  １６００ｍｍ
・長さ  １２５０ｍｍ
・幅  ８５０ｍｍ
・重さ  ２３００ｋｇ
【００６５】
したがって、本出願の実施形態に従って組み立てられた三相変圧器設計は、今日このような変圧器から予想される要件に容易に準拠することができる。
【００６６】
なお、部分的二次および一次巻線／コイルは、外付けの三相電源／負荷（三角／星または星／三角）への接続に使用する選択された接続方式に関係なく、互いに直列または並列に接続できる。コイル間の直列または並列接続の選択は、いくつかの実施形態では、選択された動作電圧、したがって動作電流に依存する。
【００６７】
上述の三相変圧器の例では、入力（高）電圧が２２ｋＶ、出力（低）電圧が０．４ｋＶであり、この場合、部分的二次巻線と一次巻線は直列に相互接続することができる。しかしながら、可能な実施形態では、入力（高）電圧が６６０ｋＶ、出力（低）電圧が０．４ｋＶであり、この場合は、部分的一次巻線および二次巻線は並列に相互接続しなければならない。
【００６８】
図４Ａは、いくつかの可能な実施形態による閉ループ磁心要素１の正面断面図である。この正面図は磁心素子１の広寸法面１ｗを示しており、側断面図は磁心素子１の狭寸法面Ｉｎを示している。なお、図４にの磁心要素１と、図２および３に示す磁心要素１、２および３は、実質的に同じ幾何学的および構造的性質を有し、同じ技術を用いて同じ材料から製造することができる。磁心要素１は、丸みを帯びた外側角部を有する実質的に矩形のリング形状を有する。いくつかの実施形態では、閉ループ磁心要素１を構築した後、一方の側部を切断線１７−１８に沿って切断して、磁心脚部１ｇの上にコイルを配置するために閉ループを開く（図４Ｂの１９、２０、２１、および２２）。磁心脚部１ｇが、実質的に矩形のリング状磁心要素１の主底部を形成するので、切断部１７−１８は、磁心要素１の上部副底部／側部を除去するために、２箇所の上部切断１７、１８を行い、磁心脚部１ｇ上に巻線／コイルを容易に配置できるようにしている。
【００６９】
図４Ｂに示すように、切断１７および１８を実行し、磁心要素１の副コア側部１６を除去し、部分的巻線／コイル１９、２０、２１および２２を磁心脚部の上に配置した後、コア側部１６を戻して（例えば、締結具／ねじおよび／またはブラケットによって）取り付けて、矩形のリング形状を復元し、磁心要素１の磁気回路を閉じる。この特別な非限定的実施例では、磁心要素１は、２つの異なる部分的一次巻線／コイル２１および２２、ならびに２つの異なる部分的二次巻線／コイル１９および２０を具え、これらはそれぞれ三相電源の２つの異なる位相に関連付けられる。選択的に、いくつかの実施形態では、巻線／コイル１９および２１が変圧器の一の位相に関連し、巻線／コイル２０および２２は変圧器の別の／異なる位相に関連する。図に示すように、部分的一次／二次巻線／コイル１９、２０、２１、および２２は、磁心の脚部１ｇの長さに沿って実質的に分布している。
【００７０】
選択的に、いくつかの実施形態では、好ましくは、高電圧が一次巻線／コイルに印加される用途では、内側部分的巻線／コイル１９および２０が部分的二次巻線／コイルであり、外側部分的巻線／コイル２１及び２２が部分的一次巻線／コイルである。図２および３に示すように、各磁心ループの部分的一次および二次巻線／コイルは、それぞれ、三相電源の２つの異なる位相に関連付けられ、また、その他の二つの磁心ループに配置された部分的一次および二次巻線／コイルに電気的に直列に接続されており、また、三相電源の同じ２つの個別の位相にそれぞれ関連している。
【００７１】
図４Ｃは、いくつかの可能な実施形態による変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１の断面図である。図４Ｃの変圧器ブロックと、図２及び３に示す変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１、Ｂｌｏｃｋ２、及びＢｌｏｃｋ３は、実質的に同じ幾何学的および構造的性質を有し、同じ技術を用いて同様に組み立てることができる。
【００７２】
図に示すように、電気絶縁スペーサ２３、２４が内側の部分的二次巻線／コイル１９、２０と磁心ループ１の磁心脚部１ｇ との間に配置されており、スペーサ２３は脚部１ｇの側面に配置され、スペーサ２４は脚部１ｇの角部に配置されている。追加の電気絶縁スペーサ２５および２６が各磁心脚部１ｇの一次及び巻線／コイル間、すなわち巻線／コイル１９と２１の間および巻線／コイル２０と２２の間に配置されており、スペーサ２６は内側の巻線／コイル１９、２０の外側に、スペーサ２５は、内側巻線／コイル１９、２０の角部に配置されている。
【００７３】
図４Ｃに示すように、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１は、例えばナット、ボルト、ねじ山といった締結ロッド３４によって、上部支持体（図示せず）に接続されたベース要素３２上に取り付けられる。この特定の非限定的な実施例では、巻線／コイルの断面形状は、丸みを帯びた角を有する実質的に矩形のリング形状であり、磁心要素の矩形断面形状に適合する。
【００７４】
図４Ｄは、図４Ｂの３つの変圧器ブロックを互いに平行に並べて取り付けて組み立てた三相変圧器４０を示す。この構成では、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１、Ｂｌｏｃｋ２、及びＢｌｏｃｋ３の閉ループ磁心素子１、２及び３が、それぞれ、同軸に、共通の軸（「Ｙ」軸）に沿って離間されて配置されており、閉ループ磁心要素の面は互いに平行であり、その中心が共通軸と整列／一致している。
【００７５】
図５Ａおよび図５Ｂは、いくつかの可能な実施形態による三相変圧器１０の側面図および正面図をそれぞれ示しており、変圧器ブロックがコンパクトにかつ同軸に並んで配置されて、閉ループコア要素の広い寸法の面が互いにほぼ平行になるように配置されている。図に示すように、変圧器ブロック、Ｂｌｏｃｋ１、Ｂｌｏｃｋ２、およびＢｌｏｃｋ３は、共通のベース３２と上部支持基板３３との間に垂直に取り付けられ、これらは締結ロッド３４によって互いに固定的に取り付けられている。この特定の非限定的な実施例では、二次巻線／コイルの電気接続（図２に示すように）は、上部支持基板３３の上方／上で組み立てられたバスバー要素３５によって画定しており、一次巻線／コイルの電気接続は（図３に示すように）、三相変圧器１０の側面に沿って通るバスバー要素３６によって画定されている。
【００７６】
図５Ｃは、図５Ａに示すＨ−Ｈ線に沿った変圧器１０の断面図である。図に示すように、変圧器１０の各磁心脚部１ｇは、特定の位相に関連付けられており、各変圧器ブロックの磁心脚部１ｇは、異なる位相に関連付けられている。変圧器ブロックの並べた形での同軸配置は、並列の２列の磁心脚部Ｒ１およびＲ２を形成し、列Ｒ１およびＲ２からの隣接する二つの磁心脚部１ｇは、同じ閉ループ磁心要素の一部として磁気的に結合される。
【００７７】
この特定の非限定的な例では、列Ｒ１の変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１の磁心脚部は位相「Ｂ」（Ｂ２と指定）に関連付けられ、列Ｒ２の変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１の磁心脚は位相「Ａ」（Ａ１と指定）に関連付けられる、列Ｒ１の変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の磁心脚部は位相「Ｃ（ＣＩと指定）」にと関連付けられ、列Ｒ２の変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の磁心脚部は位相「Ａ」と関連付けら、（Ａ２と指定される）、および列Ｒ１の変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の磁心脚部は位相「Ｂ」（Ｂ１と指定される）に関連付けられ、列Ｒ２の変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の磁心脚部は位相「Ｃ」（Ｃ２と指定される）に関連付けられる。
【００７８】
図２および３に示すように、同じ位相に関連する磁心脚部上に配置された部分的一次（外側、２１と２２）と二次（内側、１９と２０）巻線／コイルは、電気的に直列に接され、磁心脚部Ａ１上の部分的一次および二次巻線／コイルは、それぞれ、磁心脚部Ａ２上の部分的一次及び二次巻線／コイル電気的に直列に接続され、磁心脚部Ｂ１の上の部分的一次および二次巻線／コイルは、それぞれ磁心脚部Ｂ２上の部分的一次および二次巻線／コイルに、電気的に直列に接続されており、磁心脚部Ｃ１上の部分的一次および二次巻線／コイルはそれぞれ、磁心脚部Ｃ２上の部分的一次および二次巻線／コイルにそれぞれ直列に電気的に接続されている。
【００７９】
この具体的かつ非限定的な例では、隣接して配置された外側一次巻線／コイル間の距離、すなわち各変圧器ブロック内で隣接して配置された一次巻線／コイル間、および隣接して配置された変圧器ブロックの距離が約２５ｍｍである。
【００８０】
図６は、三相変圧器６９を概略的に示しており、同じ位相に関連する部分的一次巻線および二次巻線が電気的に並列に接続されている。したがって、この特定の非限定的な実施例では：
−  変圧器ブロック Ｂｌｏｃｋ１の位相「Ａ」に関連する部分的一次および二次巻線／コイル１０および４が、それぞれ、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の位相「Ａ」に関連する部分的一次および二次巻線／コイル１２および６に電気的に並列に接続され；
−  変圧器ブロックＢｌｏｃｋ１の位相「Ｂ」に関連する部分的一次および二次巻線／コイル１１および５は、それぞれ、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の位相「Ｂ」に関連する部分的一次および二次巻線／コイル１５および９に電気的に並列に接続され；
−  変圧器ブロックＢｌｏｃｋ２の位相「Ｃ」に関連する部分的一次および二次巻線／コイル１３および７は、それぞれ、変圧器ブロックＢｌｏｃｋ３の位相「Ｃ」に関連する部分的一次及び二次巻線／コイル１４および８に電気的に並列に接続されている。
【００８１】
並列接続された部分的一次巻線／コイル（１０：１２）、（１１：１５）及び（１３：１４）は、図３に例示するように、デルタ回路を形成するように電気的に接続されており、並列接続された部分的二次巻線/コイル（４：１６）、（５：９）および（７：８）は、図２に例示するように、スター回路を形成するように電気的に接続されている。代替的に、部分的一次巻線／コイル（１０：１２）、（１１：１５）および（１３：１４）をスター回路を形成するように電気的に接続することができ、部分的二次巻線／コイル（４：６）、（５：９）、（７：８）をデルタ回路を形成するように電気的に接続するようにしてもよい。簡潔にするために、巻線／コイルのデルタ／スター接続は図６には示されていない。
【００８２】
図６にも見られるように、三相電源６７は、位相「Ａ」に接続可能な部分的一次巻線／コイル１０、位相「Ｂ」に接続可能な部分的一次巻線／コイル１５、及び位相「Ｃ」に接続可能な部分的一次巻線／コイル１３、を介して三相変圧器６９に接続可能である。三相負荷６６は、負荷の位相「Ａ」に接続可能な部分的二次巻線／コイル４、負荷の位相「Ｂ」に接続可能な部分的二次巻線／コイル９、及び負荷の位相「Ｃ」に接続可能な部分一次巻線／コイル７を介して三相変圧器６９に接続可能である。
【００８３】
図６に示す特定の非限定的な実施例では、磁心要素の断面形状が円形であり、それに対応して、部分的一次コイルおよび二次コイルが円筒形である。しかしながら、本明細書に示されているように、その他の適切な断面磁心形状を使用することができ、対応する巻線／コイルの断面形状を使用することができると理解される。
【００８４】
図７は、いくつかの可能な実施形態による三相変圧器を作製するプロセス６０を示すフローチャートである。ステップＳ１で開始され、３つの閉ループ磁心要素が作成される。磁心要素は、実質的に円形、正方形または長方形の断面形状を有するマンドレル上に磁気リボンを巻きつけることによって、あるいは当技術分野において公知のその他の適切な技術によって製造することができる。いくつかの実施形態では、閉ループ磁心要素は、非晶質金属、非晶質合金またはナノ結晶質合金、および／またはケイ素鋼などであるがこれらに限定されない強磁性材料でできたリボンから製造される。
【００８５】
次いで、ステップＳ２において、閉ループ磁心要素に、限定されるものではないがエポキシ樹脂などの電気絶縁樹脂を含浸させる。ステップＳ２は選択的ステップであり、したがって破線のボックスで示されている。ステップＳ３において、各磁心要素を切断して一セクション／一部分を除去し、磁心要素のセクション上にコイルを配置するのに適した開口部を形成し、ステップＳ４において、２つの内側コイルをステップＳ３で形成された開口部を介して各磁心要素の２つの異なるコアセクション／脚部の上に配置する。図４Ｃおよび５Ｃに示すように、いくつかの実施形態では、各内側コイルとそのそれぞれのコアセクション／脚部との間に、電気絶縁スペーサによって所定のギャップが維持されている。ステップＳ５では、ステップＳ３で形成した開口部を介して、各内側コイルの上に外側コイルを配置する。図４Ｃおよび５Ｃに示すように、いくつかの実施形態では、電気絶縁スペーサによって内側および外側コイルの各対の間に所定のギャップが維持されている。次いで、ステップＳ６において、ステップＳ３で各磁心要素から除去したコアセクションをそれぞれのコア要素に取り付けて、元の閉ループ形状を復元し、磁気回路を閉じる。
【００８６】
ステップＳ７において、閉ループ磁心要素は広い寸法の面が平行な平面内に存在するように並列に並んで配置されて、三相変圧器用の小型磁心センブリを形成する。代替の実施形態では閉ループ磁心要素を互いから比較的離れて、三次元空間において適切な配向で配置することができる、すなわち、必ずしも同軸または並列でなくてもよいので、ステップＳ７は選択的ステップであり、破線のボックスで示されている。
【００８７】
ステップＳ８において、各磁心セクション／脚部の内側コイルは、別の閉ループ磁心要素の磁心セクション／脚部に配置された別の内側コイルに直列または並列に電気的に接続されており、これらの内側コイルの上に配置されたそれぞれの外側コイルも、直列または並列に電気的に接続されている。ステップＳ９では、直列または並列に接続された外側コイルを電気的に接続して、三相変圧器の三相電源に電気的に接続可能なデルタ回路を形成し、直列または並列に接続された内側コイルを電気的に接続して、三相変圧器の三相電源に電気的に接続可能な星形回路をつくる。代替的に、いくつかの実施形態では、直列または並列に接続された外側コイルを電気的に接続して、三相変圧器の三相電源に電気的に接続可能なスター回路を形成し、直列または並列に接続された内側コイルを電気的に接続して、三相変圧器の三相負荷に電気的に接続可能なデルタ回路を形成するようにしてもよい。
【００８８】
三相変圧器の実施形態のいくつかの顕著な利点は、とりわけ：
・三相変圧器の磁心システムにおける大幅な軽量化と、大幅な磁気損失の低減；
・互いに隣接して同軸に配置した別々の独立した変圧器ブロックセットからできており、広い寸法面が互いに平行であるが広い寸法面は互いに平行である、あるいは、一方が他方から比較的大きな距離、適切な向きで離隔していることによる、三相変圧器の幾何学的寸法の大幅な減少；
・三相変圧器を最小の幾何学的寸法を有するロッカー内に配置できること；及び
・変圧器ブロックを三次元空間内で互いに対して適切な距離と向きに配置することができるため、三相変圧器を事実上あらゆる体積に容易に適合させることができること；
である。
【００８９】
いくつかの実施形態では、変圧器ブロックの数は３つより多くてもよいが、例えば、６、９、１２、２４などの３の倍数である。したがって、動作電圧および電力に応じて、各３つの変圧器ブロックは、３つの変圧器ブロックの類似するグループに電気的に直列または並列に接続することができ、したがって、各変圧器の重量は、それぞれ２、３、４、...８などの係数で減少させることができる。
【００９０】
変圧器ブロックおよび／またはそれらの磁心要素、ならびにそれらの構成要素の向きに関する上、下、前、後、右、左などの用語、および類似の形容詞は、紙面に図が配置される態様を意味し、装置を実際の用途で使用する向きについてのいかなる限定でもない。
【００９１】
上述し、関連する図面に示すように、本出願は三相変圧器の設計および関連する製造方法を提供している。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、特に前述の教示に照らして当業者によって変更がなされ得るので、本発明はそれに限定されないことが理解されよう。当業者には自明であるが、本発明は、特許請求の範囲を超えることなく、上述した技術の２つ以上用いて、多種多様な方法で実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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